单片机基础(第3版)——第7章.ppt

第7章 单片机并行I/O扩展,7.1 单片机I/O扩展基础知识 7.2 可编程并行接口芯片8255 7.3 键盘接口技术 7.4 LED显示器接口技术 7.5 打印机接口技术,7.1 单片机I/O扩展基础知识,7.1.1 I/O接口电路的功能 外部设备的速度十分复杂，必须通过I/O接口电路实现。 1. 速度协调 面对各种设备的速度差异，单片机无法按固定的时序以同步方式进行I/O操作，只能以异步方式进行，也就是只有在确认设备已为数据传送做好准备的前提下才能进行I/O操作。为此需要接口电路产生状态信号或中断请求信号，表明设备是否做好准备。即通过接口电路来进行单片机与外部设备之间的速度协调。 2. 输出数据锁存 由于CPU与外设速度的不一致，需要有接口电路把输出数据先锁存起来，待输出设备为接收数据做好准备后，再传送数据。这就是接口电路的数据锁存功能。,3. 数据总线隔离 线上可能连接着多个数据源(输入设备)和多个数据负载(输出设备)。一对源和 负载的数据传送正在进行时，所有其他不参与的设备在电性能上必须与总线隔 开。这就是接口电路的总线隔离功能。 为了实现总线隔离，需要有接口电路提供具有三态缓冲功能的三态缓冲电路。 4. 数据转换 外部设备种类繁多，不同设备之间的性能差异很大，信号形式也多种多样。单 片机只能使用数字信号，如果外部设备所提供或需要的不是电压形式的数字信 号，就需要有接口电路进行转换，其中包括模/数转换和数/模转换等。 5. 增强驱动能力 通过接口电路为输出数据提供足够的驱动功率，以保证外部设备能正常、平稳 地工作。,7.1.2 关于接口电路的更多说明,1. 接口与接口电路 “接口” （Interface），具有界面、相互联系等含义，通过接口能使两个被连接的器件协同工作。单片机接口，则是研究单片机与外部设备之间的连接问题。单片机与外部设备之间接口的硬件电路称为接口电路，或称为I/O接口电路。 2. 口或端口 为了实现I/O接口电路的界面功能，在接口电路中应包含一些寄存器，通常把接口电路中这些已编址并能进行读或（和）写操作的寄存器称为端口或简称口(Port）。完整的接口功能是靠软硬件相结合实现的，而口则是供用户使用的硬件内容，用户在进行扩展连接和编写相关程序时，要用到接口电路中的各个口，为此就需要知道这些口的设置和编址情况。,7.1.3 I/O编址技术,为了对I/O接口电路中的寄存器(端口)进行读/写操作，就需要对它们进行编址，所以就出现了I/O编址问题。有两种I/O编址方式： 统一编址方式和独立编址方式。在80C51单片机系统中，采用统一编址方式。 所谓统一编址方式，就是把I/O接口中的寄存器与外扩展的数据存储器中的存储单元同等对待，合在一起使用同一个64 KB的外扩展地址空间。I/O和存储器的统一编址，使得I/O口也采用16位地址编址，并使用数据存储器读/写指令进行I/O操作，而不需要专门的I/O指令 所谓独立编址方式，就是把I/O与存储器分开进行编址。这样，在一个单片机系统中就形成了两个独立的地址空间： 存储器地址空间和I/O地址空间。独立编址方式的优点是两个地址空间相互独立界限分明，但同时也存在许多麻烦并增加系统开销，所以独立编址方式在单片机中较少采用。,7.1.4 单片机I/O控制方式,1. 无条件方式 无条件传送也称为同步传送。只有那些能一直为I/O操作作好准备的设备，才能使用无条件传送方式。在进行无条件I/O操作时，无需测试设备的状态，可以根据需要随时进行I/O操作。 无条件传送适用于两类设备的I/O操作。一类是具有常驻的或变化缓慢的数据信号的设备，例如，机械开关、指示灯、发光二极管、数码管等。另一类则是工作速度非常快，足以和单片机同步工作的设备，例如数/模转换器(DAC）。 2. 查询方式 查询方式又称有条件传送方式，在I/O操作前，要检测设备的状态，只有在确认设备已“准备好”的情况下，单片机才能执行I/O操作。检测也称为“查询”，所以就把这种有条件的I/O控制方式称为查询方式。 为实现查询方式的I/O控制，需要由接口电路提供设备状态，接口电路中的状态寄存器或状态位就是为此而准备的。查询方式只适用于规模比较小的单片机系统。,3. 中断方式 中断方式与查询方式的主要区别在于如何知道外部设备是否为I/O操作做好准备。采用中断方式进行I/O控制时，当设备做好准备之后，就向单片机发出中断请求。单片机接收到中断请求之后作出响应，暂停正在执行的原程序，而转去执行中断服务程序，通过执行中断服务程序完成一次I/O操作，然后程序返回，单片机再继续执行被中断的原程序。 中断方式效率较高，所以在单片机系统中被广泛采用。但中断请求是一种不可预知的随机事件，所以实现起来对单片机系统的硬件和软件都有较高的要求。,7.2 可编程并行接口芯片8255,8255是Intel公司产品，因其工作方式和操作功能等可通过程序进行设置和改变，称为可编程接口芯片。 7.2.1 8255硬件逻辑结构 8255的全称是“可编程并行输入/输出接口芯片”，具有通用性强且使用灵活等优点，可用于实现80C51系列单片机的并行I/O口扩展。,8255是一个40引脚的双列直插式集成电路芯片，其引脚排列如下图。 8255芯片引脚图,按功能可把8255的内部结构分为3个逻辑电路部分，分别为： 口电路、总线接口电路和控制逻辑电路。如下图。,1. 口电路 8255共有3个8位口，其中A口和B口是单纯的数据口，而C口则既可以作 数据口使用，又可以作控制口使用，主要用于实现A口和B口的控制功能。 把A口和C口高位部分合在一起称为A组；把B口和C口低位部分合在一起称 为B组。 2. 总线接口电路 总线接口电路用于实现8255和单片机芯片的信号连接。其中包括： 数据总线缓冲器。与I/O操作有关的数据、控制字和状态信息都是通过该缓冲器进行传送的。 读/写控制逻辑。相关的控制信号有： /CS片选信号(低电平有效）。 /RD读信号(低电平有效）。 /WR写信号(低电平有效）。 A0、A1低位地址信号，用于端口选择。8255共有4个可寻址的端口。 RESET复位信号(高电平有效）。芯片复位后，控制寄存器清0，各端口被置为输入方式。,3. A组和 B组控制电路 A组控制和B组控制合在一起构成8255的控制电路，其中包括一个8位控制寄存器，用于存放编程命令和实现各口操作控制。 4. 中断控制电路 8255逻辑电路中还包含一个中断控制电路。中断控制电路中对应A、B两个口各有一个中断触发器，即触发器A和触发器B，用于对中断的允许和禁止进行控制。置位为允许，复位为禁止。对两个触发器的置位和复位控制是通过口C的有关位进行的。,1. 方式0（基本输入/输出方式） 方式0适用于无条件数据传送。两个8位口(A口和B口）和两个4位口(C口高位部分和C口低位部分）都可以分别或同时设置为方式0。 2. 方式1（选通输入/输出方式） 方式1是选通输入/输出方式。8255的“选通”是通过信号的“问”与“答”，以联络方式（或称握手方式）实现的。所以这种数据传送方式是有条件的，适用于以查询或中断方式进行控制。 在方式1下，A口和B口是数据口，C口是控制口，用于传送和保存数据口所需要的联络信号都有具体的定义。见后表。 3. 方式2（双向数据传送方式） 方式2是在方式1的基础上加上双向传送功能，只有A口才能选择这种工作方式，这时A口既能输入数据又能输出数据。如果把A口置于方式2下，则B口只能工作于方式0。方式2适用于查询或中断方式的双向数据传送。在这种方式下需使用C口的5位口线作控制线。,7.2.2 8255工作方式,C口联络信号定义,7.2.3 8255的编程内容,8255是可编程接口芯片，主要编程内容是两条控制命令 ，即工作方式命令和C口位置位/复位命令。 1. 工作方式命令 工作方式命令用于设定各数据口的工作方式及数据传送 方向。命令的最高位(D7）是标志位，其状态固定为1。 命令格式如下图所示。 对工作方式命令有如下两点说明： A口有3种工作方式，而B口只有两种工作方式； 在方式1和方式2下，对C口的定义(输入或输出）不影响作为联络信号使用的C口各位的功能。,8255工作方式命令格式,2. C口位置位/复位命令 在方式1和方式2下，C口用于定义控制信号和状态信号，因此， C口的每一位都可以进行置位或复位。对C口各位的置位或复位是 由位置位/复位命令进行的。8255的位置位/复位命令格式如下图。,3. 初始化编程 8255初始化的内容就是向控制字寄存器写入命令。 例如，若对8255各口作如下设置： A口方式0输入，B口方式1输出，C口高位部分为输出、低位部分为输入。设控制寄存器地址为0003H。按各口的设置要求，工作方式命令字为10010101，即95H。则初始化程序段应为： MOV R0, 03H MOV A, 95H MOVX R0, A,8255端口选择及读/写控制表,键盘是单片机不可缺少的人机交互设备。 7.3.1 键扫描和键码生成 1. 键盘举例 为说明键盘的工作原理，以一个8行4列的矩阵键盘为例，如下图所示。 键盘上有行线和列线之分，本键盘共有8条行线4条列线。在行线和列线的交点处有一个键，由于行线与列线分别与键的不同端相连，平时键处于断开状态，所以行线和列线互不相通。接口时，行线一端接输出口，另一端悬空；而列线一端经电阻接+5 V电源，另一端接输入口。由于列线通过电阻与+5 V电源相连，所以列线的初始状态为高电平。,7.3 键盘接口技术,键盘扫描示意图,2. 键码 键盘上的每个键都担负一项处理功能，而处理功能是通过软件实现的，所以键盘接口必须有软件配合。为此，键盘上每个键都对应有一个处理程序段，键的功能是通过运行这个程序段实现的。为了在程序中能顺利地分支到键处理程序段，就需要对键进行编码,称为键码，以便能按键码进行程序分支。键的编码没有统一标准，存在多种多样的键编码方法。 最常用的编码方法是以键在键盘矩阵中的位置，从0开始按自然数顺序进行编码，键码以十六进制数表示。 下表是键盘扫描示意图中各键的键码，左边第一列的内容对应各行的扫描码，最后一行的内容是对应列有闭合键时的状态码(或称返回码)。表中内容为键码，注意键码排列的规律性。,键码表,3. 键盘扫描 通常把键盘上被按下的键称为闭合键。为了识别闭合键，有行扫描法和线反转法两种方法可供选用，在单片机中常用的是行扫描法，简称扫描法。 这里介绍的键盘扫描是由软件实现的，扫描过程也就是扫描程序的执行过程。 开始前，通过程序反复不断地进行闭合键查找，即看看键盘中是否有闭合键，为此，应先使行线输出全0，再读回列线状态，若列线状态为全1，则表明没有键被按下；若不为全1，则表明有键被按下。因为当有键被按下时，由于行线与列线在闭合键交点处接通，使穿过闭合键的那条列线变为低电平。发现闭合键后才接着进行键盘扫描，判定闭合的是哪个键；若无闭合键，就返回去重复进行闭合键的查找。 键盘扫描过程是依次使行线中的每一条输出低电平，接着输入列线状态进行有无闭合键的判定发现闭合键后，扫描并未结束。因为还要判定是否还有其他键被同时按下，所以扫描还应继续下去，直至最后在行线上输出7FH为止。,4. 键盘扫描程序流程,5. 去抖动 每当确认有键被按下后，都应当进行去抖动处理。因为键在被按下时，由于机械触点的弹性以及电压突跳等原因，在触点闭合及释放的瞬间将出现电压抖动，如下图。 去抖动处理有软件和硬件两种方法。软件去抖动方法是采用时间延迟以躲过抖动(延时时间为1020 ms即可）， 硬件方法是在键盘中附加去抖动电路，以抑制抖动的产生，具体可使用双稳态电路或滤波电路等，但硬件去抖动需增加成本。,键闭合和断开时的电压抖动,7.3.2 用8255实现键盘接口 以8255作84键盘的接口为例。A口为输出口，接键盘行线。 C口为输入口，以PC3PC0接键盘的4条列线。如下图。假定 A 口地址为8000H，则B口地址为8001H，C口地址为8002H，控制 寄存器地址为8003H。,判断有无闭合键的子程序 判断有无闭合键的子程序为KS，以供在键盘扫描程序中调用。执行KS子程序的结果是：有闭合键，则(A)0；无闭合键，则(A)0。程序如下： KS: MOV DPTR, #8000H MOV A, #00H ;A口送00H MOVX DPTR, A INC DPTR INC DPTR ;建立C口地址 MOVX A, DPTR ;读C口 CPL A ;A取反,若无键按下，则全为0 ANL A, #0FH ;屏蔽A高半字节 RET,键盘扫描程序 在单片机应用系统中常常是键盘和显示器同时存在，因此，可以把键盘程序和显示程序配合起来使用，即把显示程序作为键盘程序中的一个延时子程序使用。这样既不耽误显示驱动，又可以起到键盘定时扫描的作用。 假定本系统中显示器驱动程序为DIR，执行时间约为6 ms。键盘扫描程序如下，程序中R2为扫描码寄存器，R4为行计数器。,KEY: ACALL KS;检查是否有键闭合 JNZLK1;A非0，则转移 ACALL DIR;驱动显示器(延时6 ms） AJMP KEY LK1: ACALL DIR;有键闭合2次驱动显示器 ACALL DIR;延时12 ms进行去抖动 ACALL KS;再检查是否有键闭合 JNZ LK2;有键闭合,转LK2 ACALL DIR AJMP KEY;无键闭合,延时6 ms后转KEY LK2 :MOV R2, #0FEH;扫描初值送R2 MOV R4, #00H;扫描行号送R4 LK4: MOV DPTR, #8000H;建立A口地址 MOV A, R2 MOVX DPTR, A;扫描初值送A口,扫描开始 INC DPTR INC DPTR;指向C口 MOVX A, DPTR;读C口 JB ACC.0, LONE;ACC.01,第0列无键闭合，转LONE MOV A, #00H;装第0列状态码起始值 AJMP LKP LONE:JB ACC.1, LTWO;ACC.11,第1列无键闭合,转LTWO MOV A, #08H;装第1列状态码起始值,AJMP LKP LTWO:JB ACC.2, LTHR;ACC.21,第2列无闭合,转LTHR MOV A, #10H;装第2列状态码起始值 AJMP LKP LTHR:JB ACC.3, NEXT;ACC.31,第3列无键闭合，则转NEXT MOV A, #18H;装第3列状态码起始值 LKP:ADD A